無線網絡推動自動化技術新發展

摘要在介紹無線網絡的概念和基本技術的基礎上，介紹了基于無線網絡的自動化技術在農業、工業、家庭等領域的最新應用，最后總結了無線網絡自動化技術的優勢。

中圖分類號:TP27文獻標識碼:A

0 引言

自動化(Automation)是指機器設備、系統或過程，在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現預期的目標。自動化是工業化進程中最為重要的一環，而先進自動化則是信息化不可缺少的一環。信息化包括三個階段，計算機化，網絡化，先進自動化。可以看出，網絡化是先進自動化實現的先決條件，網絡技術尤其是目前興起的無線網絡技術的發展則巨大地推動了先進自動化技術向前發展，使人類社會大步向信息化邁進。

1 無線網絡技術

無線網絡是對應于有線網絡產生的一種新型網絡，它和有線網絡最大的區別在于傳輸媒介不同。一般有線網絡是依靠同軸電纜、雙絞線、光纖等有形媒介進行組網，而無線網絡則依靠紅外線、微波等無形媒介進行組網通訊。無線網絡的起源可以追溯到二戰時期，美軍為了傳遞戰場信息，建立了一種帶有高強度加密的無線電傳輸網絡，為盟軍取得戰爭的最終勝利提供了極大的幫助。雖然無線網絡技術起源于軍事應用，但它在民用領域的應用可以用飛速發展這個詞來形容。

發展到現在，類似于有線網絡，無線網絡根據覆蓋范圍和實現的功能來分主要可以分為四類，即無線個人網(Wireless Personal Area Network)、無線局域網(Wireless Local Area Network )、無線城域網(Wireless Metropolitan Area Network)和無線廣域網(Wireless Wide Area Network)。

由于無線網絡技術的關鍵是如何尋找有效地傳輸技術使信息能夠在無形介質中傳播，傳輸距離和傳輸速率成為一個很大的限制因素，所以我們發現無線網絡的發展軌跡是由短距離無線網向長距離乃至超長距離無線網發展。目前來看，無線個人網以及無線局域網技術已經比較成熟，而無線城域網和無線廣域網技術則還處在起步階段。無線個人網是依靠藍牙、紅外線等短距通訊技術來建立的網絡，一般涉及屬于同一個人的筆記本電腦、PDA、手機等設備的組網，傳輸距離一般在10米以內。無線局域網是依靠射頻技術在一個辦公室或者一棟建筑中組建的網絡，主要連接帶有無線網卡的設備，傳輸距離一般在100米以內。而無線城域網和無線廣域網則是用于連接無線局域網的技術，這個領域是目前無線網絡研究的熱點，無線城域網的傳輸距離可達1000米，而無線廣域網更是可以達到15千米，這兩項技術的目標都是能夠提供遠距離高速率的無線通訊方式。

2 基于無線網絡的自動化技術

隨著無線網絡技術的日趨完善，自動化技術也迎來了一個新的發展高潮，在農業、工業、家庭等多個領域有了許多新的解決方案。

2.1 農業領域

農業是國民經濟的第一產業，農業機械化大大地解放了生產力，到了二十一世紀，農業信息化已被提上議事日程。在無線網絡的支撐下，農業自動化技術突飛猛進，使得現代農業擺脫了地域限制，能夠實現遠程播種，灌溉，直至收割。

現代化的農業要求規模化生產，而規模化生產所覆蓋的區域可能會超乎人的想象，例如幾十平方公里，在這種情況下如果要實現自動灌溉，如果用有線網絡則需要鋪設大量的控制電纜，初期投資特別巨大，而且農業生產條件通常都十分惡劣，設備尤其是線纜很容易老化，而且后期的維護很困難。利用無線網絡則很好的解決了這個問題，目前國外已有投入使用的相關無線網絡系統，該系統通過在各個種植區布置無線網絡設備，將控制信號傳遞到灌溉用的電磁閥門上，而整套設備的供電將依靠太陽能或者蓄電池，這使得該系統可以完全擺脫鋪設線纜的束縛。配合無線傳感器，系統能夠實時監測種植區的溫度、濕度等參數，然后這些信息會通過無線網絡被傳送到遠程的監控室中，然后根據預先設定好的控制方案或者操作員給出的實時信號給遠程的電磁閥發送控制信號，控制閥門、遮光板等設備的開啟和關閉，使作物能夠得到適量的水分、陽光和肥料。

目前，農業領域應用的無線網絡的信號傳輸距離已經可以達到數公里，但是仍存在信號易受干擾，控制的精度和實時性無法滿足要求等問題，當然系統的造價也很高，但是我們相信隨著技術的進步，農業無線網絡控制系統的可靠性和實時性會有很大提高，同時伴隨著大規模的應用系統的造價也會大幅度降低。

2.2 工業領域

工業是國民經濟的支柱產業，除了軍事應用以外，現代化的高新技術往往是先在工業領域得到應用的，基于無線網絡的自動化技術也不例外。 鑒于工業所涉及的行業極其眾多，以下僅列舉無線網絡在工業自動化領域的典型應用方式。

2.2.1 依靠無線網絡組建遠程工廠控制系統

未來的現代化工廠將會實現無人操作，工廠的控制員可以處在辦公室里甚至家里，依靠裝配于各個設備的傳感器可以感知產品的位置，然后通過無線網絡將控制信號發送到配置有無線接收設備的機器人中，控制機器人完成從原材料的搬運，流水線的生產，產品的質量檢測，直至最終的產品包裝，運往倉庫等一系列的生產過程。這樣的生產方式無疑有著一些列的優勢，最主要的就是安全性比較高，例如在一個大型的煉鋼企業，對于大量鋼材的搬運，如果是依靠人去運送，無疑會威脅到生產人員的安全，而把所有這些工作交給配有無線接收裝置的機器人來完成則將變得既安全又高效。

2.2.2 依靠無線網絡組成遠程監測系統

現代化的工業生產需要高質量的監測系統來維護整個生產系統的可靠性。以電力生產為例，電力從發電廠發出來往往需要經過長距離的傳輸，為了降低線路損耗，輸電方式往往會采用高壓輸電，如何維護輸電線路的安全就顯得至關重要，而基于無線網絡的自動化技術則很好的解決了這一問題。目前國內外已經開發了多種輸電線路監測裝置，通過在主要的輸電塔上裝配帶有視頻功能的無線監測裝置，將輸電線的實時圖像記錄下來，圖像經過壓縮處理之后通過無線網絡發送到電力調控室。控制人員通過分析圖像可以判定線路狀況，如輸電線路結冰，則啟動相應的除冰設備對輸電線路進行除冰。還有一種應用前景十分看好的輸電線路監測裝置是無線輸電線路巡檢車，這種巡檢車是無人駕駛的，依靠遠程控制，可以沿著設計的線路行駛，在車上配備有高精度的攝像機，可以用于拍攝輸電線路的狀態，同時在車上配備有紅外線測溫裝置，可以用于直接測量輸電線路的溫度。這樣在辦公室里的工作人員便可以對輸電線路的狀況一覽無余，并且擺脫了時間限制，配合照明設施可以在夜晚繼續對線路進行巡檢。

2.2.3 依靠無線網絡組建冗余系統

目前工業生產中有大量的控制系統，而這些系統大多是基于有線網絡的，雖然有線網絡有信號質量好，可靠性高等許多優點，但是一旦生產過程出現突發狀況，原有的有線網絡往往會失去作用，此時如果裝備有基于無線網絡的控制系統作為冗余系統，則可以很好的解決這些問題。例如，遠程控制的水庫，一旦測量到水位超過警戒水位，需要開閘泄洪，而如果有線控制網絡出現故障，后果將會十分嚴重，而趕往水庫時間上往往也是不夠的，這時依靠無線網絡控制泄洪閘開啟將會是十分理想的選擇。

2.3 家庭領域

家庭自動化是很有前景的技術，而無線網絡則使得這項技術的應用有了更大的廣度和深度。進入21世紀，房屋的設計和使用越來越講究節能和智能，基于無線網絡的家庭自動化系統則符合這樣的理念。

家庭自動化的應用包括以下幾個方面:房屋安全防護系統、能源供給系統、智能家居系統，無線網絡均有涉及。

在房屋的安全防護方面，國內已經開發出實用的系統。通過在房屋的各關鍵位置安裝無線傳感器，監測各種行為，一旦有發現在非正常時段有人進入房間，那么傳感器會將信號傳輸到房屋的中央控制系統，然后通過網絡發送信息通知房屋的主人、警察以及小區的保安人員。

在房屋的能源利用方面，應用則更加廣泛。在房屋的各個位置會加裝溫度、濕度傳感器，然后檢測室內外的溫度和濕度，首先判別家里是都有人，如果有人的話會根據房主設定的溫度，開啟相應的制熱或者制冷裝置，開啟或者關閉窗戶，控制屋內的光線。在下雨天系統還能夠控制集水裝置開啟用于儲水，在特別炎熱的天氣，系統會通過水泵將儲水罐中的水抽出用于灌溉房屋周邊的苗木，同時可以在屋頂噴灑水已給房屋降溫，降低屋內溫度調節裝置的能耗。

在智能家居方面，應用也十分活躍。通過給家里的各種電器，如電飯鍋、熱水器、洗衣機等加裝無線信號接收裝置，這樣人就能在工作時或者外出時控制這些裝置的開啟或關閉，以節約人的時間。舉一個很實用的例子，你回家想立即洗個熱水澡，那么你只要在回家的路上通過手機發送一個訊號給房屋的中央控制系統，然后系統開啟熱水器先把水燒好了，再把水放好，這樣你回家就可以立即洗澡，免去了等待的時間。

3 無線網絡自動化技術的優勢

基于無線網絡的自動化技術在最近十年有多許多新的應用，這與無線網絡自動化技術的優勢是密切相關的，總的來說無線網絡自動化技術有如下一些優勢:(1)擺脫了時間和空間的限制，相比于有線網絡適用面更廣。(2)多技術交叉，無線網絡自動化技術包含通訊技術、控制技術、智能技術等多項技術于一身，決定了這項技術從開始就是一個多面手，能夠靈活的配置多項任務。(3)符合時代的潮流，無線網絡自動化技術大大減少了線纜的使用，而且通常是節能和環保的，符合現代人對于新技術的要求。

從以上這些方面可以看出，無線網絡自動化技術符合時代的趨勢和人們對于高技術的最新要求，必定會隨著時間的推移有更大的發展和更多的應用。

參考文獻

[1]Anand， D.M.;Moyne， J.R.;Tilbury， D.M. Performance evaluation of wireless networks for factory automation applications.2009 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering， CASE 2009， p 340-346， 2009.

[2]De Pellegrini， Francesco; Miorandi， Daniele;Vitturi， Stefano;Zanella， Andrea. On the use of wireless networks at low level of factory automation systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics， v 2， n 2， p 129-143， May，2006.

[3]馮冬芹，褚健.構建自動化環境下的工業無線網絡[J].中國儀器儀表，2008(S1).

[4]李春林，程健.工業自動化領域中的無線技術[J].工業儀表與自動化裝置，2007(1).

[5]Gomez， Carles .Wireless home automation networks: A survey of architectures and technologies.IEEE Communications Magazine， v 48， n 6， p 92-101， June 2010.